JP6936159B2 - 架線電圧推定装置及び鉄道車両 - Google Patents

Description

本開示は、架線から供給される交流電力により走行可能に構成された電気車において架線電圧値を推定する技術に関する。

架線からパンタグラフにより交流電力を集電して走行するように構成された鉄道車両として、架線電圧を２次電圧及び３次電圧に変圧する変圧器を搭載したものが知られている。この種の鉄道車両では、例えば、２次電圧が電力変換装置へ入力され、電力変換装置にて、２次電圧をもとにモータ駆動用の電力が生成されてモータへ供給される。また、３次電圧は、電力変換装置以外の他の負荷の電源として用いられる。

このような構成の鉄道車両において、架線電圧値を用いた各種制御を行うことが考えられている。例えば、電力変換装置において、制御性能の向上或いはき電回路の安定化などの各種の目的で、架線電圧値を取得し、その架線電圧値を用いた各種制御を行うことが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。

架線電圧値を取得する方法としては、例えば、屋根上に計測器を実装して直接検出する方法が考えられる。しかし、屋根上に計測器を実装する方法を採用すると、計測器を介して架線が地絡する地絡事故の懸念が生じたり、コストアップを招いたり、そもそもスペース的に屋根上への計測器の搭載が困難であったり、外観上あるいは空力上の悪影響が生じたりする可能性がある。そのため、通常の営業に用いる鉄道車両（以下、営業車という）に計測器を常時実装して架線電圧値を計測しながら営業走行することは現実的ではない。

これに対し、走行中に架線電圧値を取得する方法として、走行中に測定可能な他の物理量を取得し、その物理量から演算により架線電圧値を推定する方法が考えられる。具体例として、変圧器の３次電圧値を検出し、その３次電圧値に１次巻線の巻数Ｎ１と３次巻線の巻数Ｎ３の巻数比ａ１３＝Ｎ１／Ｎ３を乗じることで、１次巻線に入力される架線電圧の値、即ち架線電圧値を算出する、という方法が考えられる。

特許第４５６８１１１号公報

しかし、実際の３次電圧値は、必ずしも、実際の架線電圧値を巻数比ａ１３で除算した値になっているとは限らない。その主要因として、変圧器のいわゆるレギュレーション現象がある。変圧器の３次電圧値は、架線電圧値が一定であっても、レギュレーション現象によって変動する。そのため、架線電圧値と実際の３次電圧値との比率は、必ずしも１次巻線と３次巻線の巻数比ａ１３に一致しない。

レギュレーション現象の１つとして、２次負荷の変動による３次電圧値の変動が挙げられる。鉄道車両で用いられる、２次巻線及び３次巻線を備えた変圧器は、通常、２次巻線と３次巻線が磁気的に結合するような構造となっているため、２次巻線と３次巻線において相互誘導が発生する。この相互誘導により、２次負荷が変動して２次巻線に流れる２次電流が変動すると、３次電圧も変動する。鉄道車両においては、特に力行時やブレーキ時などで２次電流が大きく変動しやすく、その大きな変動に応じて３次電圧も大きく変動する可能性がある。

そのため、３次電圧値を検出してその検出した３次電圧値に１次巻線と３次巻線の巻数比ａ１３を乗じて架線電圧値を算出する方法では、精度の良い架線電圧値を得ることが困難である。

そのため、主変換装置において、３次電圧値に基づく推定演算等で取得した架線電圧値を用いて制御を行う場合は、取得した架線電圧値に実際の値との誤差が含まれているということを念頭においた制御を行わざるを得ず、高精度の制御を行うことが難しい。

本開示の一局面は、変圧器の３次電圧値を検出し、その検出した３次電圧値に基づいて高い精度で架線電圧値を推定できるようにすることを目的とする。

本開示の一態様は、変圧器と、２次負荷と、３次負荷とを備えた鉄道車両に搭載され、架線電圧の値である架線電圧値を推定する架線電圧推定装置である。変圧器は、電圧入力用の巻線として１次巻線、電圧出力用の巻線として２次巻線及び３次巻線を有する。また、変圧器は、交流電力供給用の架線の電圧である架線電圧が１次巻線に入力され、架線電圧の入力に対して２次巻線から架線電圧よりも低い２次電圧が出力されると共に３次巻線から２次電圧よりも低い３次電圧が出力されるように構成されている。

２次負荷は、変圧器から出力される２次電圧を電源として動作するように構成されており、少なくとも、走行用のモータ、及び２次電圧に基づいてモータの駆動用の電力を生成してモータへ供給する電力変換装置を含む。３次負荷は、変圧器から出力される３次電圧を電源として動作するように構成されている。

そして、架線電圧推定装置は、３次電圧検出部と、２次電流検出部と、記憶部と、架線電圧算出部とを備える。３次電圧検出部は、３次電圧の値である３次電圧値を検出するように構成されている。２次電流検出部は、２次巻線から出力される電流の値である２次電流値を検出するように構成されている。記憶部は、架線電圧値と３次電圧値の比率（以下、架線／３次比率と称す）と、２次電流値との相関関係を示す相関情報が記憶されている。架線電圧算出部は、３次電圧検出部により検出された３次電圧値、及び２次電流検出部により検出された２次電流値に基づき、記憶部に記憶されている相関情報が示す相関関係に従って架線電圧値を算出する。

このような構成によれば、架線／３次比率と２次電流値との相関関係が予め記憶されており、３次電圧値及び２次電流値の各検出値を上記相関関係にあてはめることで、架線電圧値が導出される。

つまり、単に３次電圧値を検出してその３次電圧値から１次巻線と３次巻線の巻数比を用いて架線電圧値を算出するのではなく、２次電流値も検出して、その２次電流値も用いて架線電圧値を導出する。具体的には、架線／３次比率と２次電流値との相関関係を予め記憶しておき、その相関関係を用いて、３次電圧値及び２次電流値の各検出結果から架線電圧値を導出する。

そのため、２次電流値が変化してそれに応じて３次電圧値が変化しても、上記相関関係に基づき、それら２次電流値及び３次電圧値に応じた高精度の架線電圧値が導出されることになる。よって、上記構成の架線電圧推定装置によれば、３次電圧値の検出結果から高い精度で架線電圧値を推定することができる。

なお、本開示において、「架線」とは、車両の屋根よりも高い位置に設けられるいわゆる架空電車線に限定されず、例えば地上に設けられる第３軌条なども含む。つまり、本開示における「架線」は、鉄道車両へ電力を供給するように構成されたあらゆる形態の電力供給線を含む。

相関情報として、２次電流値を変数とする、架線／３次比率を示す一次関数式を有していてもよい。その場合、架線電圧算出部は、前記一次関数式を用いて架線電圧値を算出するよう構成されていてもよい。

このような構成によれば、３次電圧値及び２次電流値が検出されれば、これら各検出値を上記一次関数式にあてはめることで、架線電圧値を算出することができる。よって、３次電圧値の検出結果から、高精度の架線電圧値を容易に推定することができる。

上記一次関数式は、予め、鉄道車両を実際に走行させて必要な電圧値、電流値を実測し、それら実測結果から導出したものであってもよい。具体的に、一次関数式の導出を目的として鉄道車両を実際に走行させ、その走行時に、架線電圧値、３次電圧値及び２次電流値を実測する。そして、それら各実測結果に基づいて、架線／３次比率と２次電流値との関係を線形近似することにより、一次関数式を導出する。

このようにして実際の走行時の実測結果から一次関数式を導出することで、精度の高い一次関数式を導出することができる。そして、その精度の高い一次関数式を相関情報として記憶部に記憶し、架線電圧値の算出に用いることで、架線電圧値をより高精度に推定することが可能となる。

上記のように実走時の実測結果から一次関数式を導出する場合、その実測は、３次負荷を一定に維持した状態で行うようにしてもよい。
実測中、仮に３次負荷が変化した場合、３次巻線から出力される３次電流が変化し、その３次電流の変化によって２次電圧が変化し、その２次電圧の変化によって２次電流が変化する可能性がある。つまり、３次負荷の変動は、架線／３次比率と２次電流値との関係を示す一次関数式を導出するにあたっては不要なノイズ成分として作用することになる。そのため、架線／３次比率と２次電流値との関係を示す一次関数式を導出するにあたっては、３次負荷の変動が少ない方が好ましい。

そこで、一次関数式を導出するために走行中に架線電圧値、３次電圧値及び２次電流値を実測する際、３次負荷を一定に維持するようにすることで、架線／３次比率と２次電流値との関係が適切に反映された一次関数式を導出することができる。

上記構成の架線電圧推定装置は、さらに、２次電圧算出部と、２次電力算出部とを備えていてもよい。２次電圧算出部は、架線電圧算出部により算出された架線電圧値から、１次巻線と２次巻線の巻数比に基づいて、２次電圧の値である２次電圧値を算出する。２次電力算出部は、２次電圧算出部により算出された２次電圧値、及び２次電流検出部により検出された２次電流値に基づいて、２次負荷による消費電力を算出する。

このような構成によれば、２次電圧値を、架線電圧算出部が算出した高精度の架線電圧値から数値計算にて容易に得ることができる。そして、その２次電圧値と２次電流値を用いて、２次負荷による消費電力を容易且つ精度よく算出することができる。

なお、３次負荷による消費電力については、例えば、３次巻線から３次負荷へ供給される電流である３次電流を検出する手段を設けることで、３次電流値と３次電圧値から演算により求めることができる。そのため、２次負荷による消費電力を算出する上記構成に加え、３次負荷による消費電力を算出する構成をさらに付加すれば、鉄道車両全体の消費電力を精度よく算出することが可能となる。

上記構成の架線電圧推定装置は、鉄道車両において、電力変換装置に搭載されていてもよい。そして、電力変換装置は、当該架線電圧推定装置により推定された架線電圧値を用いて、モータへ供給する電力を生成するよう構成されていてもよい。

このような構成によれば、電力変換装置は、モータへ供給する電力を生成するにあたり、架線電圧値を用いた制御方法を容易に採用することができる。
本開示の別の一態様は、上述の架線電圧推定装置を備える鉄道車両である。このような鉄道車両は、上述の架線電圧推定装置と同様の効果を発揮し得る。

実施形態の鉄道車両の電気的構成を示す説明図である。 実施形態の換算係数ｆを導出する方法を説明するための説明図である。 実施形態の電圧・電力算出処理を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［１．実施形態］
（１−１）鉄道車両の概要
図１に示す鉄道車両１０は、架線１００から交流電力を集電するように構成されている。架線１００は、不図示のき電回路に接続され、そのき電回路から交流電力が供給されている。

鉄道車両１０は、図１に示すように、パンタグラフ１１と、主変圧器１２と、主変換装置１３と、モータ１４と、３次電圧検出部１６と、３次電流検出部１７と、位置検知部１８と、３次負荷２０とを備える。

なお、鉄道車両１０は、１つの車両を有していてもよいし、複数の車両が連結された編成（即ち列車）であってもよい。鉄道車両１０が、複数の車両が連結された編成として構成されている場合、図１に示す各構成要素は、必ずしも全て同じ１つの車両に搭載されている必要はない。例えば、パンタグラフ１１が搭載されている車両とは別の車両に主変換装置１３が搭載されていてもよい。つまり、本開示における「鉄道車両」は、１つの車両を備えた形態、及び連結された複数の車両を備えた形態の双方を包含する概念である。

パンタグラフ１１は、架線１００から交流電力を集電するための周知の集電装置である。架線１００から集電される電圧は、本実施形態では例えば交流２５ｋＶである。
主変圧器１２は、パンタグラフ１１から入力される架線１００の電圧である架線電圧を、その架線電圧値Ｖ１よりも低い２次電圧値Ｖ２の２次電圧、及び２次電圧値Ｖ２よりも低い３次電圧値Ｖ３の３次電圧にそれぞれ降圧して出力する。主変圧器１２から出力される２次電圧は主変換装置１３に入力される。主変圧器１２から出力される３次電圧は３次負荷２０に入力される。

主変圧器１２は、パンタグラフ１１から架線電圧が入力される１次巻線１２ａと、パンタグラフ１１からの架線電圧を２次電圧に降圧するための２次巻線１２ｂと、パンタグラフ１１からの架線電圧を３次電圧に降圧するための３次巻線１２ｃとを有する。主変圧器１２の２次巻線１２ｂから出力される２次電圧の電圧値、即ち２次電圧値Ｖ２は、例えば交流１０００Ｖである。主変圧器１２の３次巻線１２ｃから出力される３次電圧の電圧値、即ち３次電圧値Ｖ３は、例えば交流４００Ｖである。もちろん、これら各電圧値の具体的数値はあくまでも一例である。

３次電圧検出部１６は、３次電圧値Ｖ３を検出するために設けられている。３次電圧検出部１６は、主変圧器１２の３次巻線１２ｃから出力される３次電圧の値に応じた電気信号（以下、３次電圧検出信号）を主変換装置１３へ出力する。

３次電流検出部１７は、主変圧器１２の３次巻線１２ｃから出力される３次電流の値である３次電流値Ｉ３を検出するために設けられている。３次電流検出部１７は、主変圧器１２の３次巻線１２ｃから出力される３次電流の値に応じた電気信号（以下、３次電流検出信号）を主変換装置１３へ出力する。

３次負荷２０は、３次電圧を電源として動作する各種の負荷である。３次負荷２０としては、例えば、空調装置、照明装置、ドア開閉装置、通信装置などが挙げられる。
位置検知部１８は、鉄道車両１０が走行している位置を検知してその検知した位置を示す位置検知信号を主変換装置１３へ出力する。

主変換装置１３は、主変圧器１２の２次巻線１２ｂから入力される電力をモータ１４の駆動用の三相電力に変換してモータ１４へ供給する機能を有している。主変換装置１３は、コンバータ３１と、コンバータ３１の駆動用のＰＷＭ回路３２と、インバータ３３と、インバータ３３の駆動用のＰＷＭ回路３４と、電力変換制御装置３５と、２次電流検出部３６とを備える。

本実施形態のコンバータ３１は、主変圧器１２の２次巻線１２ｂから入力される交流の２次電圧を直流電圧に変換してインバータ３３へ出力する。インバータ３３は、コンバータ３１から入力される直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ１４へ出力する。本実施形態のインバータ３３は、いわゆるＶＶＶＦインバータである。

モータ１４は、本実施形態では三相誘導電動機であり、三相交流電圧が供給されることにより回転駆動する。モータ１４が回転駆動されると、その回転駆動力が不図示の車輪に伝達され、これにより電車が走行する。

コンバータ３１とインバータ３３の間には、コンバータ３１から出力される直流電圧の値を検出するためのコンバータ電圧検出部３７が設けられている。コンバータ電圧検出部３７は、コンバータ３１からの直流電圧の値を示すコンバータ電圧検出信号を電力変換制御装置３５へ出力する。

２次電流検出部３６は、主変圧器１２の２次巻線１２ｂから出力される２次電流の値である２次電流値Ｉ２を検出するために設けられている。２次電流検出部３６は、主変圧器１２の２次巻線１２ｂから出力される２次電流の値に応じた電気信号（以下、２次電流検出信号）を出力する。

３次電圧検出部１６からの３次電圧検出信号、３次電流検出部１７からの３次電流検出信号、２次電流検出部３６からの２次電流検出信号、及び位置検知部１８からの位置検知信号は、主変換装置１３内において、電力変換制御装置３５に入力される。

電力変換制御装置３５は、制御部４１と、記憶部４２とを備える。制御部４１は例えばＣＰＵを有する。記憶部４２は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＮＶＲＡＭ、フラッシュメモリなどの半導体メモリを有する。即ち、電力変換制御装置３５は、ＣＰＵ及び半導体メモリを含むマイクロコンピュータを備えている。

制御部４１は、非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。本実施形態では、記憶部４２が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。記憶部４２に記憶されているプログラムには、後述する図３の電圧・電力算出処理のプログラムが含まれる。なお、制御部４１により実現される各種機能は、プログラムの実行によって実現することに限るものではなく、その一部又は全部について、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現してもよい。

電力変換制御装置３５は、３次電圧検出信号に基づいて３次電圧値Ｖ３を検出し、３次電流検出信号に基づいて３次電流検出値Ｉ３を検出し、２次電流検出信号に基づいて２次電流値Ｉ２を検出し、コンバータ電圧検出部３７からのコンバータ電圧検出信号に基づいてコンバータ３１から出力される直流電圧の値であるコンバータ出力電圧値Ｖｃｏｎを検出する。

そして、電力変換制御装置３５は、これら検出した３次電圧値Ｖ３、３次電流検出値Ｉ３、２次電流値Ｉ２、コンバータ出力電圧値Ｖｃｏｎに基づいて、コンバータ３１を駆動させるための指令信号を生成し、ＰＷＭ回路３２へ出力する。

本実施形態の電力変換制御装置３５は、コンバータ３１の制御方法として、例えば、力率１制御、若しくは進み力率制御を用いる。力率１制御は、コンバータ３１に入力される無効電力がゼロとなるように制御する方法である。なお、力率１制御は、パンタグラフ１１から入力される無効電力がゼロとなるような制御方法であってもよい。進み力率制御は、コンバータ３１に入力される２次電流の位相が２次電圧よりも進み位相となるように制御する方法である。なお、進み力率制御は、パンタグラフ１１から入力される電流が架線電圧よりも進み位相となるような制御方法であってもよい。

電力変換制御装置３５が上記の制御を実行するためには、架線電圧値Ｖ１が必要であるが、本実施形態の鉄道車両１０は、架線電圧値Ｖ１を直接検出する検出装置は備えていない。そこで、本実施形態の電力変換制御装置３５は、入力される３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２を用いて、架線電圧値Ｖ１を推定する。架線電圧値Ｖ１の推定方法については後述する。

電力変換制御装置３５は、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２を用いて架線電圧値Ｖ１を推定し、その架線電圧値Ｖ１とコンバータ出力電圧値Ｖｃｏｎとを用いて、コンバータ３１を制御するための指令信号を生成し、ＰＷＭ回路３２へ出力する。

ＰＷＭ回路３２は、電力変換制御装置３５から入力される指令信号に基づいてコンバータ３１へ駆動信号を出力することにより、コンバータ３１を駆動する。具体的には、コンバータ３１が有する複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングを指令信号に従って個別に制御することにより、コンバータ３１を駆動する。これにより、上述の力率１制御あるいは進み位相制御などの所望の制御が実現される。

また、電力変換制御装置３５は、インバータ３３を制御するための制御信号を生成して、ＰＷＭ回路３４へ出力する。ＰＷＭ回路３４は、電力変換制御装置３５から入力される指令信号に基づいてインバータ３３へ駆動信号を出力することにより、インバータ３３を駆動する。

（１−２）架線電圧値Ｖ１の推定方法
前述の通り、電力変換制御装置３５は、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２を用いて架線電圧値Ｖ１を推定し、その推定した架線電圧値Ｖ１を用いてコンバータ３１を制御する。ここでは、その架線電圧値Ｖ１の推定方法について説明する。

３次電圧値Ｖ３から架線電圧値Ｖ１を算出する方法としては、１次巻線１２ａの巻数（以下、１次巻数）Ｎ１と３次巻線１２ｃの巻数（以下、３次巻数）Ｎ３の比率である３次巻数比ａ１３＝Ｎ１／Ｎ３を用いる方法、即ち、３次電圧値Ｖ３に３次巻数比ａ１３を乗算する方法が考えられる。

しかし、この方法で得られる架線電圧値Ｖ１は、前述の通り、レギュレーション現象による３次電圧値Ｖ３の変動の影響により、架線電圧値Ｖ１の実際の値とは異なっている可能性がある。

そこで本実施形態では、３次電圧検出部１６により検出された３次電圧値Ｖ３を用いて架線電圧値Ｖ１を推定するにあたり、３次巻数比ａ１３を用いた換算を行うのではなく、３次巻数比ａ１３を用いない特定の換算式を用意し、その換算式を用いる。

本願発明者らは、種々検討を行った結果、架線電圧値Ｖ１と３次電圧値Ｖ３の比率である架線／３次比率には、２次電流値Ｉ２との相関関係がある、ということを見出した。具体的に、架線／３次比率は２次電流値Ｉ２を変数とする関数で表せること、さらにはその関数が１次関数で近似できることを見出した。

具体的に、架線／３次比率と２次電流値Ｉ２との関係は、下記式（１）、（２）で表せる。
Ｖ１（ｘ）／Ｖ３（ｘ）＝ｆ（Ｉ２） ・・・（１）
ｆ（Ｉ２）＝Ａ・Ｉ２（ｘ）＋Ｂ ・・・（２）
なお、「ｘ」は、地点、即ち線路上を走行する鉄道車両１０の位置を示す。また、Ａ，Ｂは定数（特定の実数）である。また、ｆ（Ｉ２）を、以下、換算係数と称する。

よって、換算係数ｆ（Ｉ２）を予め導出して用意しておくことで、その換算係数ｆ（Ｉ２）と、検出された３次電圧値Ｖ３とを用いて、下記式（３）により、架線電圧値Ｖ１（ｘ）を算出することができる。
Ｖ１（ｘ）＝Ｖ３（ｘ）・ｆ（Ｉ２） ・・・（３）
次に、換算係数ｆ（Ｉ２）の導出方法について説明する。換算係数ｆ（Ｉ２）は、実際に車両を走行させながら架線電圧値Ｖ１、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２を実測し、それら実測データを解析することによって導出する。

なお、架線電圧値Ｖ１を実測するための計測器等を営業用の車両に常備することは困難であって現実的ではないが、換算係数ｆ（Ｉ２）の導出を目的として一時的に計測器等を搭載させて架線電圧値Ｖ１を実測することは可能である。そのため、鉄道車両１０に一時的に計測器を搭載して架線電圧値Ｖ１を実測できるようにした上で、鉄道車両１０を実際に走行させ、その走行中、異なる地点ｘごとに架線電圧値Ｖ１、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２を実測、記録することができる。なお、地点ｘは、位置検知部１８からの位置検知信号に基づいて取得できる。

あるいは、営業用の車両ではなく、架線電圧値Ｖ１の計測機能を含む各種の計測、検査、試験等の機能設備を備えた専用の試験車両があれば、その試験車両によって、地点ｘごとの架線電圧値Ｖ１を実測できる。その場合、例えば、試験車両と営業用の車両を前後に近接して並ぶようにして走行させ、試験車両においては架線電圧値Ｖ１を実測、記録し、営業用の車両においては３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２を実測、記録するようにしてもよい。

本実施形態では、一例として、所定の走行区間を、試験車両と営業車両を並走させながら異なる地点ｘ毎に逐一上記各値Ｖ１（ｘ）、Ｖ３（ｘ）、Ｉ２（ｘ）を実測、記録する方法を採用した。また、実測の際は、ノッチ操作、車両速度、３次負荷２０の動作状態などの、車両各部の状態を、実際の営業運転時に想定される状態に近い状態とした。つまり、実際の営業運転時の状態を再現して実測を行った。さらに、実測中は、２次負荷を変動、即ち主変換装置１３の電力消費量を変動させることによって、２次電流値Ｉ２（ｘ）を意図的に変化させた。具体的に、例えばノッチを複数段階に切り替えること等によって、２次負荷を変動させ、これにより、２次電流値Ｉ２（ｘ）として所定の数値幅に分布するような実測結果が得られるようにした。一方、３次負荷２０については、計測中は一定に維持されるように設定した。換言すれば、３次巻線１２ｃから３次負荷２０側全体をみたインピーダンスが一定となるように設定した。なお、ここでいう一定とは、３次負荷２０が全く変化しないようにすることのみを意味しているわけではなく、結果として所望の精度の換算係数ｆ（ｘ）が得られる範囲内で変動することを含む概念である。

このようにして、２次負荷を変化（即ち２次電流値Ｉ２（ｘ）を変化）させながら走行させ、走行中、異なる複数の地点ｘで各値Ｖ１（ｘ）、Ｖ３（ｘ）、Ｉ２（ｘ）を実測、記録した。

このようにして実測、記録したときの結果の一例を、図２に示す。図２は、異なる複数の地点ｘ毎の計測結果を、横軸をＩ２、縦軸を架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３とする二次元座標上にプロットした結果を示す。縦軸の値は、図２に直接示されている縦軸の範囲内においては全て正の値である。

なお、詳細なデータ解析の結果、２次電流値Ｉ２（ｘ）が連続的に大きく変動する走行区間では、主変圧器１２のＬ成分によって３次電圧値Ｖ３（ｘ）が２次電流値Ｉ２（ｘ）の変動に追従するまでに遅れが発生するということが明らかになった。そのため、２次電流値Ｉ２（ｘ）が大きく変動するような走行区間での実測データは、図２に示す座標に対するプロット対象から除外した。

図２から明らかなように、実測の結果、架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３と２次電流値Ｉ２との間には相関関係があることが、帰納的に見出された。また、その相関関係は、おおよそ線形性を有しており、よって２次電流値Ｉ２に対する架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３の関係は、線形近似により１次関数で表せることを見出した。

そこで、図２に示す分布に基づき、例えば最小二乗法や最尤法などの種々の方法で、２次電流値Ｉ２と架線／３次比率との関係を示す１次関数式、即ち、上記式（２）の換算係数ｆ（Ｉ２）を導出した。ここで導出された換算係数ｆ（Ｉ２）は、図２に例示するように、２次電流値Ｉ２が増加するほど架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３が線形増加するような１次関数式である。そして、導出した換算係数ｆ（Ｉ２）を、営業用の鉄道車両１０において、電力変換制御装置３５の記憶部４２に予め記憶させておき、営業走行時などの実際の走行時に、電力変換制御装置３５がその換算係数ｆ（Ｉ２）を用いて上記式（３）により架線電圧値Ｖ１（ｘ）を推定演算できるようにした。

なお、導出した換算係数ｆ（Ｉ２）を用いた上記式（３）によって算出される架線電圧値Ｖ１（ｘ）と、実際に実測した架線電圧値Ｖ１（ｘ）とを比較した結果、両者の差は小さいことが確認された。つまり、導出した換算係数ｆ（Ｉ２）を用いた上記式（３）によって算出される架線電圧値Ｖ１（ｘ）の精度が高いことを確認できた。

なお、本実施形態では、換算係数ｆ（Ｉ２）は、地点ｘにかかわらず同じであるが、地点ｘ毎に異なる換算係数ｆ（Ｉ２）を用いるようにしてもよい。これを実現するためには、例えば、計測対象の走行区間を何度も往復走行しながら、同じ１つの地点ｘに対して異なる複数の２次電流値Ｉ２（ｘ）に対する架線電圧値Ｖ１及び３次電圧値Ｖ３を取得し、地点ｘ毎に、図２のようなプロットを行って、当該地点ｘに対応した換算係数ｆ（ｘ，Ｉ２）を導出、記憶するようにしてもよい。

また、地点ｘ毎に個別に換算係数ｆ（ｘ，Ｉ２）を導出するのではなく、例えば、一定の走行区間毎に個別に、当該走行区間用の換算係数ｆ（区間，Ｉ２）を導出、記憶するようにしてもよい。

また、異なる走行条件毎に換算係数ｆ（Ｉ２）を個別に用意してもよい。例えば、走行速度ｖに応じて異なる換算係数ｆ（ｖ，Ｉ２）を用いてもよい。また例えば、走行路の勾配ｒｓに応じて異なる換算係数ｆ（ｒｓ，ｘ）を用いてもよい。

（１−３）電圧・電力算出処理
次に、鉄道車両１０の走行中、電力変換制御装置３５が実行する電圧・電力算出処理について、図３を用いて説明する。電力変換制御装置３５は（詳しくは制御部４１は）、起動後、図３の電圧・電力算出処理を周期的に実行する。そして、その電圧・電力算出処理によって算出される各値に基づいて、前述のコンバータ３１の制御を含む各種制御処理を行う。

電力変換制御装置３５は、図３の電圧・電力算出処理を開始すると、Ｓ１１０で、３次電圧検出部１６からの３次電圧検出信号に基づいて３次電圧値Ｖ３（ｘ）を取得する。なお、電圧・電力算出処理実行時の鉄道車両１０の位置（地点ｘ）は、位置検知部１８からの位置検知信号に基づいて取得する。

Ｓ１２０では、２次電流検出部３６からの２次電流検出信号に基づいて２次電流値Ｉ２（ｘ）を取得する。Ｓ１３０では、３次電流検出部１７からの３次電流検出信号に基づいて３次電流値Ｉ３（ｘ）を取得する。

Ｓ１４０では、記憶部４２に予め記憶されている換算係数ｆ（Ｉ２）を用いて、上記式（３）により、架線電圧値Ｖ１（ｘ）を算出する。ここで算出した架線電圧値Ｖ１（ｘ）は、コンバータ３１の制御に用いられる。

Ｓ１５０では、Ｓ１４０で算出した架線電圧値Ｖ１（ｘ）を用いて、２次電圧値Ｖ２（ｘ）を算出する。２次電圧値Ｖ２（ｘ）の算出は、２次巻線１２ｂの巻数Ｎ２と１次巻線１２ａの巻数Ｎ１との比率Ｎ２／Ｎ１を用いて、下記式（４）で算出可能である。
Ｖ２（ｘ）＝Ｖ１（ｘ）・Ｎ２／Ｎ１ ・・・（４）
Ｓ１６０では、２次負荷の消費電力である２次電力Ｐ２（ｘ）の力率（以下、２次側力率）ｃｏｓφ、及び３次負荷２０の消費電力である３次電力Ｐ３（ｘ）の力率（以下、３次側力率）ｃｏｓθをそれぞれ取得する。

２次側力率ｃｏｓφは、コンバータ３１の制御方法に応じて予め設定されている。例えば、コンバータ３１の制御方法が力率１制御である場合は、２次側力率ｃｏｓφは１又は１に非常に近い値に設定されている。コンバータ３１の制御方法が進み力率制御の場合は、その進み力率制御における位相の進み量に応じた２次側力率ｃｏｓφが予め設定されている。３次側力率ｃｏｓθは、例えば、３次電圧値Ｖ３（ｘ）と３次電流値Ｉ３（ｘ）の位相差を求めることによって取得できる。

Ｓ１７０では、２次電力Ｐ２（ｘ）及び３次電力Ｐ３（ｘ）を算出し、それぞれ記憶部４２に記憶する。つまり、電圧・電力算出処理が周期的に実行される毎に、その実行時の地点ｘにおける２次電力Ｐ２（ｘ）及び３次電力Ｐ３（ｘ）が算出され、記憶される。

２次電力Ｐ２（ｘ）及び３次電力Ｐ３（ｘ）の算出は、具体的には、下記の式（５）、式（６）によって行われる。
Ｐ２（ｘ）＝Ｖ２（ｘ）・Ｉ２（ｘ）・ｃｏｓφ ・・・（５）
Ｐ３（ｘ）＝Ｖ３（ｘ）・Ｉ３（ｘ）・ｃｏｓθ ・・・（６）
このようにして地点ｘごとの２次電力Ｐ２（ｘ）及び３次電力Ｐ３（ｘ）を記憶部４２に記憶することで、走行中はもちろん、走行終了後において事後的にも、これら各電力Ｐ２（ｘ），Ｐ３（ｘ）を用いた各種の制御や電力管理、電力分析などを行うことができる。

（１−４）実施形態の効果
以上説明した実施形態によれば、以下の（１ａ）〜（１ｅ）の効果を奏する。
（１ａ）架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３と２次電流値Ｉ２との相関関係が記憶部４２に予め記憶されており、電力変換制御装置３５は、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２の各検出値を上記相関関係にあてはめることで、架線電圧値Ｖ１を推定する。

そのため、２次電流値Ｉ２が変化してそれに起因するレギュレーション現象によって３次電圧値Ｖ３が変化しても、上記相関関係に基づき、それら２次電流値Ｉ２及び３次電圧値Ｖ３に応じた高精度の架線電圧値Ｖ１が導出されることになる。

よって、上記実施形態の電力変換制御装置３５によれば、架線電圧値Ｖ１を実測するための計測器等を実装することなく、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２の検出結果から高い精度で架線電圧値Ｖ１を推定することができる。つまり、鉄道車両のコストアップや大型化を抑えつつ高精度の架線電圧値Ｖ１を推定できる。

（１ｂ）架線電圧値Ｖ１を高精度に推定できることで、その高精度の架線電圧値Ｖ１を用いたコンバータ３１の制御を精度よく行うことができる。
（１ｃ）架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３と２次電流値Ｉ２との相関関係として、２次電流値Ｉ２を変数とする、架線／３次比率を示す一次関数式、即ち上記式（２）の換算係数ｆ（Ｉ２）が用いられる。そのため、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２の検出結果から、高精度の架線電圧値Ｖ１を容易に推定することができる。

（１ｄ）換算係数ｆ（Ｉ２）は、机上の理論計算で導出されたものではなく、車両を実際に走行させて必要な電圧値、電流値を実測し、それら実測結果から導出したものである。即ち、実際に車両を走行させて架線電圧値Ｖ１、３次電圧値Ｖ３及び２次電流値Ｉ２を実測し、それら各実測結果に基づいて、架線／３次比率と２次電流値Ｉ２との関係を線形近似することにより導出されたものである。そのため、このように実測データから導出された換算係数ｆ（Ｉ２）を用いて架線電圧値Ｖ１を算出することで、架線電圧値をより高精度に推定することが可能となる。

（１ｅ）また、換算係数ｆ（Ｉ２）を導出するための車両走行時においては、３次負荷は一定に維持される。そのため、３次負荷の変動に起因する換算係数ｆ（Ｉ２）の精度低下を抑制でき、架線／３次比率と２次電流値Ｉ２との相関関係が適切に反映された換算係数ｆ（Ｉ２）を導出することができる。

（１−５）特許請求の範囲の文言との対応関係
ここで、実施形態の文言と特許請求の範囲の文言との対応関係について説明する。主変圧器１２は変圧器に相当する。主変換装置１３は電力変換装置の一例に相当する。電力変換制御装置３５は架線電圧推定装置の一例に相当する。記憶部４２に記憶される換算係数ｆ（Ｉ２）は相関情報の一例に相当する。制御部４１は、架線電圧算出部、２次電圧算出部、及び２次電力算出部の一例に相当する。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（２−１）換算係数ｆ（Ｉ２）は、一次関数式に限定されない。架線／３次比率と２次電流値Ｉ２との関係が適切に表された他の関数式であってもよい。
また、相関情報として、定式化された換算係数ｆ（Ｉ２）を用いることは必須ではない。例えば、相関情報として、２次電流値Ｉ２と架線／３次比率との関係をマトリクス状に展開したデータベースを構築し、そのデータベースを用いて架線電圧値Ｖ１を導出するようにしてもよい。

（２−２）３次電圧検出部１６、３次電流検出部１７及び２次電流検出部３６の設置位置は、図１に示した位置に限定されない。また、３次電圧値Ｖ３、２次電流値Ｉ２及び３次電流値Ｉ３を検出するための具体的方法は適宜決めてよい。

（２−３）電力変換装置として、図１に示した主変換装置１３はあくまでも一例であり、電力変換装置の具体的構成は特に限定されるものではない。例えば、インバータを備えておらず、コンバータからの直流電圧によって直流モータを駆動するよう構成された電力変換装置であっても、本開示を適用可能である。

（２−４）２次負荷は、主変換装置１３及びモータ１４に限定されない。２次巻線１２ｂからの２次電圧に基づいて動作する他の２次負荷があってもよい。また、２次負荷として主変換装置１３が複数あってもよいし、モータ１４が複数あってもよい。

（２−５）３次電圧値Ｖ３の変動を引き起こすレギュレーション現象の要因は、２次負荷の変動（即ち２次電流値Ｉ２の変動）だけとは限らない。例えば、３次負荷が変動すると３次電流値Ｉ３が変動する可能性があるが、その３次電流値Ｉ３の変動によってもレギュレーション現象が生じる。

そこで、架線／３次比率と２次電流値Ｉ２との相関関係ではなく、架線／３次比率、２次電流値Ｉ２、及び３次電流値Ｉ３の三者の相関関係を導出してもよい。そして、その三者の相関関係に基づき、３次電流値Ｉ３も用いて、架線電圧値Ｖ１を推定するようにしてもよい。

架線／３次比率、２次電流値Ｉ２、及び３次電流値Ｉ３の三者の相関関係を用いて架線電圧値Ｖ１を推定する具体的方法について概略説明する。
本願発明者らは、種々検討を行った結果、架線／３次比率には、２次電流値Ｉ２との相関関係だけでなく、３次電流値Ｉ３との相関関係もある、ということも見出した。具体的に、架線／３次比率は３次電流値Ｉ３を変数とする関数で表せること、さらにはその関数が１次関数で近似できることを見出した。

具体的に、架線／３次比率と３次電流値Ｉ３との関係は、下記式（７）、（８）で表せる。
Ｖ１（ｘ）／Ｖ３（ｘ）＝ｆ３（Ｉ３） ・・・（７）
ｆ３（Ｉ３）＝Ｃ・Ｉ３（ｘ）＋Ｄ ・・・（８）
なお、Ｃ，Ｄは定数（特定の実数）である。ここで、既述の式（１）、（２）に示したｆ（Ｉ２）を、上記のｆ３（Ｉ３）と区別するためにｆ２（Ｉ２）と称する。

ｆ３（Ｉ３）については、２次負荷を一定に維持させた状態で、３次負荷を変動させることによって３次電流値Ｉ３を意図的に変化させながら、架線電圧値Ｖ１及び３次電圧値Ｖ３を実測することで、導出できる。即ち、当該実測結果についても、ｆ２（Ｉ２）の導出と同じように、横軸をＩ３、縦軸を架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３とする二次元座標上にプロットできる。

そして、その二次元座標上のプロット点の分布に基づいて、架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３と３次電流値Ｉ３との間にも相関関係があることが、帰納的に見出される。また、その相関関係についても、おおよそ線形性を有しており、よって３次電流値Ｉ３に対する架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３の関係についても線形近似により１次関数で表せることが見出される。よって、例えば最小二乗法や最尤法などの種々の方法で、３次電流値Ｉ３と架線／３次比率との関係を示す１次関数式、即ち、上記式（８）のｆ３（Ｉ３）を導出できる。

架線／３次比率Ｖ１／Ｖ３を２次電流値Ｉ２及び３次電流値Ｉ３の関数として表す場合、例えば、ｆ２’（Ｉ２）＝ｆ２（Ｉ２）／Ｂ、ｆ３’（Ｉ３）＝ｆ３（Ｉ３）／Ｄとすることによって、ｆ２（Ｉ２）及びｆ３（Ｉ３）をそれぞれ中心値がおおよそ１になるように正規化することで表すことができる。具体的に、架線電圧値Ｖ１（ｘ）は、次式（９）で表すことができる。
Ｖ１（ｘ）＝Ｖ３（ｘ）・ｋ・ｆ２’（Ｉ２）・ｆ３’（Ｉ３） ・・・（９）
（ただし、ｋは定数）
なお、架線／３次比率、２次電流値Ｉ２、及び３次電流値Ｉ３の三者の相関関係は、架線／３比率の軸、２次電流値Ｉ２の軸、及び３次電流値Ｉ３の軸の三軸による三次元空間座標に表すことができる。当該三次元空間座標上に上記三者の関係をプロットし、そのプロット結果を例えば一次関数式に線形近似することで、上記式（９）のようなＶ１（ｘ）の導出式を得ることができる。

上記式（２）のｆ２（Ｉ２）は、上記三次元空間座標におけるプロット結果を例えばＩ２で偏微分するかもしくはＩ３が一定値となる平面で切ること等によって、架線／３次比率と２次電流値Ｉ２との関係を示す二次元平面座標に落とし込んだ上で、導出したものであると言える。上記式（８）のｆ３（Ｉ３）についても同様に、上記三次元空間座標におけるプロット結果を例えばＩ３で偏微分するかもしくはＩ２が一定値となる平面で切ること等によって、架線／３次比率と３次電流値Ｉ３との関係を示す二次元平面座標に落とし込んだ上で、導出したものであると言える。

ここで、上記実施形態で示した式（３）で得られる架線電圧値Ｖ１の精度について、補足説明する。２次電流値Ｉ２及び３次電流値Ｉ３の双方を考慮した上記式（９）に対し、上記実施形態で示した式（３）は、３次電流値Ｉ３の影響を無視した演算式であると言える。しかし、３次電流値Ｉ３の影響を考慮しない式（３）であっても、実用上十分な精度の架線電圧値Ｖ１を算出することができる。その理由は、２次電流値Ｉ２の影響に比べて３次電流値Ｉ３の影響は相対的に非常に小さいからである。

例えば新幹線車両の場合、２次電流値Ｉ２の最大値Ｉ２ｍａｘと３次電流値Ｉ３の最大値Ｉ３ｍａｘを比較すると、Ｉ２ｍａｘ＞＞Ｉ３ｍａｘとなる。具体的には、例えばＩ２ｍａｘが数百Ａのレベルの大きな電流値となるのに対し、Ｉ３ｍａｘは例えば数十Ａのレベルの相対的に非常に小さな電流値となる。また、電流値の変動幅についても、３次電流値Ｉ３の変動幅は、例えば、２次電流値Ｉ２の変動幅の２〜３％程度という、相対的に非常に小さな変動幅となる。

つまり、３次電圧値Ｖ３は、２次電流値Ｉ２及び３次電流値Ｉ３の双方の影響によって変動する可能性があるものの、２次電流値Ｉ２の影響による変動に比べて３次電流値Ｉ３の影響による変動は極めて小さい。よって、３次電流値Ｉ３まで考慮せず２次電流値Ｉ２のみを考慮した上記式（３）によっても、架線電圧値Ｖ１を精度良く得ることができる。

（２−６）
鉄道車両１０は、鉄道車両１０の屋根よりも高い位置に設けられた架線１００とは異なる電力供給線から交流電力を受けるように構成されてもよい。具体的には、例えば、地面に敷設された導電レール（いわゆる第３軌条）から交流電力を受けるように構成されてもよい。

（２−７）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１０…鉄道車両、１１…パンタグラフ、１２…主変圧器、１２ａ…１次巻線、１２ｂ…２次巻線、１２ｃ…３次巻線、１３…主変換装置、１４…モータ、１６…３次電圧検出部、１７…３次電流検出部、１８…位置検知部、２０…３次負荷、３１…コンバータ、３５…電力変換制御装置、３６…２次電流検出部、３７…コンバータ電圧検出部、４１…制御部、４２…記憶部。

Claims (7)

1. 電圧入力用の巻線として１次巻線、電圧出力用の巻線として２次巻線及び３次巻線を有する変圧器であって、交流電力供給用の架線の電圧である架線電圧が前記１次巻線に入力され、前記架線電圧の入力に対して前記２次巻線から前記架線電圧よりも低い２次電圧が出力されると共に前記３次巻線から前記２次電圧よりも低い３次電圧が出力されるように構成された変圧器と、
   前記変圧器から出力される前記２次電圧を電源として動作するように構成された２次負荷であって、少なくとも、走行用のモータ、及び前記２次電圧に基づいて前記モータの駆動用の電力を生成して前記モータへ供給する電力変換装置を含む、２次負荷と、
   前記変圧器から出力される前記３次電圧を電源として動作するように構成された３次負荷と、
   を備えた鉄道車両に搭載され、前記架線電圧の値である架線電圧値を推定する架線電圧推定装置であって、
   前記３次電圧の値である３次電圧値を検出するように構成された３次電圧検出部と、
   前記２次巻線から出力される電流の値である２次電流値を検出するように構成された２次電流検出部と、
   前記架線電圧値と前記３次電圧値の比率と、前記２次電流値との相関関係を示す相関情報が記憶された記憶部と、
   前記３次電圧検出部により検出された前記３次電圧値、及び前記２次電流検出部により検出された前記２次電流値に基づき、前記記憶部に記憶されている前記相関情報が示す前記相関関係に従って前記架線電圧値を算出する架線電圧算出部と、
   を備える、架線電圧推定装置。
2. 請求項１に記載の架線電圧推定装置であって、
   前記相関情報として、前記比率を示す、前記２次電流値を変数とする一次関数式を有し、
   前記架線電圧算出部は、前記一次関数式を用いて前記架線電圧値を算出するよう構成されている、
   架線電圧推定装置。
3. 請求項２に記載の架線電圧推定装置であって、
   前記一次関数式は、前記鉄道車両を実際に走行させ、その走行時に前記架線電圧値、前記３次電圧値及び前記２次電流値を実測し、それら各実測結果に基づいて、前記比率と前記２次電流値との関係を線形近似することによって導出したものである、
   架線電圧推定装置。
4. 請求項３に記載の架線電圧推定装置であって、
   前記実測は、前記３次負荷を一定に維持した状態で行われる、架線電圧推定装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の架線電圧推定装置であって、
   前記架線電圧算出部により算出された前記架線電圧値から、前記１次巻線と前記２次巻線の巻数比に基づいて、前記２次電圧の値である２次電圧値を算出する２次電圧算出部と、
   前記２次電圧算出部により算出された前記２次電圧値、及び前記２次電流検出部により検出された前記２次電流値に基づいて、前記２次負荷による消費電力を算出する２次電力算出部と、
   を備える、架線電圧推定装置。
6. 請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の架線電圧推定装置であって、
   当該架線電圧推定装置は、前記電力変換装置に搭載され、
   前記電力変換装置は、当該架線電圧推定装置により推定された前記架線電圧値を用いて、前記モータへ供給する電力を生成するよう構成されている、
   架線電圧推定装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の架線電圧推定装置を備える、鉄道車両。

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